JPH09155980A - 三次元造形方法およびそれに用いる装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 材料どうしの接着を、溶剤を用いることなく
圧接状態で加熱溶融したのちに冷却して行うことによ
り、排気装置を必要とせず、使用する材料も溶剤で溶融
するものに制限されない三次元造形物の造形方法および
それに用いる装置を提供することである。 【構成】 この発明は、薄板における造形物の中空部分
に該当する部分は切削除去したのち粉末補助材を充填
し、他の不要部分には格子状の切断線を入れ、重なり合
う薄板どうしの接着を、上側の薄板をヒーターで加熱溶
融して下側の薄板に密着させたのち冷却固化することに
より行うようにしている。したがって、どのような形状
の造形物の造形でもでき、不要部分の除去が容易になる
とともに、排気装置が不要になり、造形材料として熱可
塑性を有するものであればなんでも使用できるようにな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、熱可塑性材料からな
る薄板に切削や切断を加えながら複数枚積層して形成さ
れる積層体から不要部分を除去し、任意の三次元造形物
を得る三次元造形方法およびそれに用いる装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、造形用の材料を複数の層状に
積層して造形を行う三次元造形方法として、スラリー状
の造形材料を台部上に流し込んで固化したのち所定の形
状に切削加工し、その上部にさらに他の層を形成し切削
加工することを繰り返して三次元造形物を造形する方法
や、シートや板状の造形材料を切削加工しその上部にさ
らに造形材料を接着積層してこれを切削加工することを
繰り返して三次元造形物を造形していくといった方法な
ど多種の方法がある。

【０００３】上記のうちシートや板状の造形材料を積層
する方法は、造形される各層を均一な厚みにすることが
容易であるため精度の良い造形物が得らるという利点を
有している。しかしながら、造形材料として、例えば、
紙を用いた場合、造形物の中空部に相当する部分の除去
が困難になったり、中空部が密閉されている場合には不
要部分の除去が不可能になったりして、造形物の形状が
制限されるという問題がある。

【０００４】上記のような中空部に相当する不要部分の
除去に対する問題点を解決する三次元造形方法として、
この発明の発明者が開発しすでに出願している特願平７
−２５６７９３号に開示された方法がある。これは、図
１０に示すような三次元造形装置を使用する方法であ
る。

【０００５】すなわち、図において、１は上面が平面に
形成され、伸縮ねじ２を介してモータ３の作動によりＺ
（上下）方向に移動可能な台部であり、４は台部１の上
方に配設され、台部１上をＸ（左右），Ｙ（前後）方向
に移動できるスピンドルで、その下端部に切削用のエン
ドミル５が取り付けられている。６はエンドミル５の周
囲を覆った略円筒状のカバー部であり、その側部に材料
の削り粉排出用のホース７が連結されている。

【０００６】また、台部１の近傍には、複数のアクリル
製薄板８をばね９で上方に付勢した状態で収容する上面
開放箱型のストッカー１０が配設されている。そして、
このストッカー１０の開口部および開口部と台部１との
間には複数の材料搬送用のローラ１１が配設され、スト
ッカー１０内の薄板８を台部１上に搬送できるようにな
っている。

【０００７】また、上記ローラ１１の中で最も台部１に
近い上下一対のローラ１１ａ，１１ｂのうち上側のロー
ラ１１ａは、台部１上をＸ方向に移動し台部１上に搬送
される薄板８の上面を押圧できるようになっている。そ
して、下側のローラ１１ｂは、下部側が、アセトン１２
が収容されたタンク１３内に位置するようになって、搬
送される薄板８の下面にアセトン１２を塗布するように
なっている。

【０００８】このため、ローラ１１を回転駆動させるこ
とにより、ストッカー１０内の薄板８を台部１上に搬送
し、エンドミル５で切削加工することができる。また、
その際、薄板８がアクリル製であるため造形物の中空部
に対応する部分は各層ごとに切削除去することができ造
形後に除去する必要がなくなる。

【０００９】さらに、薄板８の搬送の際に、ローラ１１
ｂによりアセトン１２が付着されて薄板８の下面側が溶
融するため、すでに台部１上に搬送されている薄板８の
上に搬送されるとその下側の薄板８と接着するようにな
る。そして、さらに、ローラ１１ａが台部１上に搬送さ
れた上側の薄板８の上面を押圧することによりその薄板
どうしの接着が確実になるというものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法では薄板８どうしの接着をアセトン１２からなる溶
剤を用いるため安全衛生上の点から揮発ガスを外部に排
出するための排気装置が必要になるという問題がある。
また、使用する薄板８の材質もアセトン１２等の溶剤に
よって溶融し薄板８どうしで接着できるものに制限され
るという問題も有している。

【００１１】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、溶剤を使用することなく材料どうしを接着す
ることにより、排気装置を必要とせず、使用する材料も
溶剤で溶融するものに制限されない三次元造形方法およ
びそれに用いる三次元造形装置の提供をその目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明にかかる三次元造形方法は、台部に熱可塑
性材料からなる薄板を載置し、その造形物部分の輪郭部
を切断するとともに、不要部分を切削除去や切断したの
ち、さらに、その薄板の上に他の熱可塑性材料からなる
薄板を積層し、その上側の薄板に切削除去や切断を行う
といったことを繰り返すことにより三次元造形物を造形
する方法であって、上記薄板における造形物の中空部分
に該当する部分は切削除去したのち粉末補助材を充填
し、他の不要部分には造形後の不要部除去を容易にする
ために所定間隔の格子状切断線を入れ、上記重なり合う
薄板同士の接着を、上側の薄板を平面状のヒーターで加
熱溶融して下側の薄板に密着させたのち冷却固化させる
ことにより行うことを要旨とする。

【００１３】そして、この発明にかかる三次元造形装置
は、上下移動可能な台部と、この台部上面に熱可塑性材
料からなる薄板を供給する供給部と、上記台部上面に対
して相対的にＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動し台部上に供給され
た薄板を切削・切断する切削部と、上記台部上に粉末補
助材を供給する補助材供給部と、台部上に供給された粉
末補助材の過剰分を台部上から除去し薄板上面と粉末補
助材上面を面一に揃える掻き取り部と、台部上に載置さ
れた薄板を加熱する平面状のヒーターと、その加熱され
た薄板を冷却する冷却部とを備えたことを要旨とする。

【００１４】

【作用】すなわち、この発明は、従来例のように、薄板
どうしの接着をアセトン等の溶剤を用いて行うのではな
く、重なり合う薄板のうちの上側の薄板の上面を平面状
のヒーターで加熱溶融して下側の薄板に接着したのち、
その状態で冷却固化することにより行うようになってい
る。

【００１５】したがって、溶剤が気化した際に生じる揮
発ガスの発生がなくなり安全衛生上から好ましい上、揮
発ガス排出用の排出装置を設ける必要がなくなり装置が
簡便になるという利点が生じる。さらに、薄板からなる
造形材料は、溶剤によって溶融するものに制限されず、
熱によって溶融するもの、すなわち熱可塑性を有するも
のであれば何でも使用することができるため、造形材料
の選択の範囲が大幅に広がる。

【００１６】また、造形物の中空部に該当する部分は切
削除去してしまうため、迷路のように複雑な形状の中空
部を有する造形物の造形も可能になり、かつ、その切削
除去された中空部に該当する部分には粉末補助材を充填
するため、上側に載置された薄板を加熱してもその薄板
が溶融して垂れ下がることなく平面に保たれる。したが
って、熱によって各層の平面度が失われるといったこと
は生じなく、精度のよい三次元造形物が得られるように
なる。

【００１７】また、冷却部で、加熱した薄板を冷却した
のちヒーターを薄板から離すことによりヒーターの表面
に薄板が粘着することを防止でき、さらに、ヒーターの
表面に粘着防止材からなる層を設けることにより、その
粘着防止をより確実にすることができる。つぎに、実施
例にもとづいて、この発明による三次元造形方法および
それに用いる装置を詳しく説明する。

【００１８】

【実施例】図１は、この発明の一実施例による三次元造
形装置２０を示している。図において、２１は、下面中
央部に取り付けられた伸縮ねじ２２を介してモータ２３
の作動によりＺ方向に移動可能な台部であり、上面が水
平な平面状に形成されている。２４はその台部２１の上
面に取り付けられた受け台であり、２５は台部２１が最
上部に位置したときに受け台２４の上面一端側に位置す
るようにして設けられた樋状の過剰補助材収容部であ
る。

【００１９】また、２６は三次元造形装置２０の他端側
に配設され、内部にアクリル製の薄板（厚み０．２５m
m）２７を収容する箱型のストッカーである。このスト
ッカー２６は、低部中央に配設されたばね２８の上端部
に支受板２９が上下に摺動自在に取り付けられ、その上
面に複数の薄板２７が上方に付勢された状態で載置され
ている。そして、このストッカー２６は上面が開放さ
れ、一端側側壁３０の上端部が他の側壁の上端部よりも
やや低く（薄板２７一枚の厚み程度）なって、最上段の
薄板２７の上面および一端側側面が外部に露呈するよう
になっている。

【００２０】３１ａ，３１ｂはストッカー２６の上端開
口位置に一定間隔を保って平行に配設された送りローラ
であり、回転することにより、ストッカー２６内の最上
段の薄板２７を台部２１側へ送り出すようになってい
る。３２ａ，３２ｂは、ストッカー２６と台部２１の間
における台部２１寄りの位置に上下に接触状態で配設さ
れたローラであり、上側のローラ３２ａは送りローラ３
１ａ，３１ｂと同じ高さを保って水平方向に一定間隔で
配設されている。

【００２１】上記ローラ３２ａ，３２ｂは、送りローラ
３１ａ，３１ｂによってストッカー２６から送り出され
た薄板２７を挟持して所定方向（ローラ３２ａは反時計
周り、ローラ３２ｂは時計周り）に回転することによ
り、薄板２７を受け台２４上に送るようになっている。

【００２２】３３は、台部２１の上方に配設され台部２
１上をＸ，Ｙ方向に移動できるスピンドル（上部の駆動
機構等は省略している）であり、その下端に切削用のエ
ンドミル３４が取り付けられている。

【００２３】このスピンドル３３の下部側には、側部に
ホース３５が連結された略円筒状のカバー部３６がエン
ドミル３４を覆うようにして設けられており、上記ホー
ス３５の端部は三次元造形装置２０の外部に設けられた
吸引機（図示せず）に連結されている。このため、上記
吸引機を作動させることにより、エンドミル３４が材料
を切削した際に生じる材料の削り粉を三次元造形装置２
０の外部に排出することができる。

【００２４】３７はスピンドル３３と一定間隔を保って
配設された幅広（Ｙ方向に長くなっている）ホッパー状
の補助材供給部であり、スピンドル３３とともにＸ方向
に移動でき、かつ単独で上下にも移動可能になってい
る。この補助材供給部３７の下部側には、下端部に開口
された補助材供給口を開閉する掻き取り部３８が設けら
れており、この掻き取り部３８が図１の状態から下方に
向けて回転すると（図４参照）上記補助材供給口が開成
されて内部に収容された粉末尿素が下方に吐出されるよ
うになる。

【００２５】また、この掻き取り部３８は、台部２１の
上側に供給された粉末尿素のうち過剰分を除去する機能
も有しており、補助材供給口を開成した状態で台部２１
上側の他端側から一端側に移動するとその先端縁部で粉
末尿素を過剰補助材収容部２５内に掻き入れるようにな
っている。

【００２６】３９は、補助材供給部３７からさらに一定
間隔を保って配設された加熱部であり、スピンドル３３
および補助材供給部３７とともにＸ方向に移動でき、か
つ単独で上下に移動可能になっている。この加熱部３９
は、上部側が空冷式のラジエター４０からなっており、
その下面に耐熱絶縁材４１を介してニクロム線が埋設さ
れた平面状のヒーター４２が貼設されている。

【００２７】そして、そのヒーター４２の下面にテフロ
ンテープからなる粘着防止材４３が貼設されている。上
記ヒーター４２および粘着防止材４３の下面は、薄板２
７の上下面と略等しい形状に形成され、台部２１上に載
置された薄板２７の略全面を加熱できるようになってい
る。

【００２８】なお、この三次元造形装置２０の周囲は壁
部（図示せず）によって囲われており、スピンドル３
３，補助材供給部３７，加熱部３９を作動させる図示し
ていない上部の駆動機構や各送りローラ３１ａ，３１
ｂ，ローラ３２ａ，３２ｂの駆動機構等はこの壁部によ
って支えられている。

【００２９】この構成において、造形を行う際には、ま
ず、図２に示すように、送りローラ３１ａ，３１ｂおよ
びローラ３２ａ，３２ｂを回転駆動させてストッカー２
６内の薄板２７を受け台２４上に搬送し、この薄板２７
を受け台２４の上面に軽く接着させた状態（造形後、受
け台２４から取り外せる程度に）で載置する。

【００３０】ついで、吸引機を作動させ、スピンドル３
３を受け台２４上の中央付近に移動させて回転させると
ともに、Ｘ，Ｙ方向に移動させることにより、エンドミ
ル３４でその薄板２７を所定の形状に切削・切断加工
し、この薄板２７を、例えば、図３に示すような状態に
する。

【００３１】すなわち、図３においては、４４は造形物
を構成する造形物部分であり、その外輪郭に切断線４５
が設けられている。４６は造形物の中空部に該当する不
要部分でありその全面が切削によって除去されている。
また、４７はその他の不要部分であり、その全面に一定
間隔を保った格子状の切断線４８が設けられている。上
記切削・切断加工の際、生じた薄板２７の切削粉は、カ
バー部３６からホース３５を介して外部の吸引機に吸い
取られていく。

【００３２】つぎに、スピンドル３３の回転および吸引
機の作動を停止させるとともに、スピンドル３３を上方
に退避させたのち、図４に示すように、スピンドル３
３，補助材供給部３７および加熱部３９を三次元造形装
置２０の一端側に移動させ補助材供給部３７を受け台２
４の他端側に位置させる。そして、その補助材供給部３
７を下方に移動させ、掻き取り部３８を下方に回転させ
る。その結果、補助材供給部３７内の粉末尿素４９が受
け台２４上の薄板２７上に供給される。

【００３３】その状態で、補助材供給部３７を、スピン
ドル３３，加熱部３９とともに、さらに、三次元造形装
置２０の一端側に移動させ、図５の状態にする。その結
果、図３に示した薄板２７における中空部に該当する不
要部分４６および切断線４５，４８内に粉末尿素４９が
充填され、その過剰分が掻き取り部３８によって薄板２
７上から掻き出され過剰補助材収容部２５内に排除され
る。そして、上記薄板２７の上面は、造形部分４４およ
びその他の不要部分４７の表面と、中空部に該当する不
要部分４６０よび切断線４５，４８に充填された粉末尿
素４９の表面が面一の状態になる。

【００３４】つぎに、掻き取り部３８を上方に回転させ
て粉末尿素４９の吐出を停止させたのち、補助材供給部
３７を上方に退避させる。そして、台部２１を少し（台
部２１上の薄板２７の上面の高さが、送りローラ３１
ａ，３１ｂ，ローラ３２ａの下端部の高さより薄板２７
一枚の厚み分低くなるように）下降させて、ストッカー
２６の送りローラ３１ａ，３１ｂ，ローラ３２ａを回転
駆動させ、ストッカー２６内の最上段の薄板２７をすで
に受け台２４上に搬送され切削・切断加工された薄板２
７の上面に搬送し、図６および図７の状態にする。

【００３５】ついで、スピンドル３３，補助材供給部３
７および加熱部３９を、さらに、三次元造形装置２０の
一端側に移動させ加熱部３９を受け台２４の上方に位置
させたのち、ヒーター４２をオンにして加熱させる。そ
して、このヒーター４２が予め設定された温度（薄板２
７の溶融温度）に到達した後、加熱部３９を下方に移動
させて、図８に示すように、重なり合った２枚の薄板２
７の上方の薄板２７の上面に圧接させる。これによっ
て、上側の薄板２７は溶融した状態になって、下側の薄
板２７と密着する。

【００３６】つぎに、ヒーター４２をオフにし、ラジエ
ター４０を作動させて、ヒーター４２を冷却するととも
に、薄板２７を冷却固化する。そして、薄板２７が固化
したのち加熱部３９を上方に退避させて、スピンドル３
３，補助材供給部３７とともに、三次元造形装置２０の
他端側に移動させて、図１に示す位置に戻す。そして、
再度、スピンドル３３を下方に移動させエンドミル３４
で上側の薄板２７に切削加工を行うといった一連の操作
を繰り返して、図９に示すように、複数層からなる積層
体５０を形成する。

【００３７】ついで、この得られた積層体５０を受け台
２４から取り外し、格子状の切断線４８によって小さな
ブロック状に分離された不要部分４７を除去するととも
に、中空部に該当する不要部分４６内に充填されている
粉末尿素４９を水洗いにより除去することにより、目的
の造形物（図示せず）が得られる。なお、上記積層体５
０を得るまでの一連の工程は、予め準備されたプログラ
ムに沿ったコンピューター制御により行われる。

【００３８】このように、上記実施例では、積層される
各薄板２７に形成される造形物部分４４の中空部分４６
は切削除去したのち薄板２７の型くずれ防止のために粉
末尿素４９を充填し、造形物部分４４の周囲に位置する
不要部分４１には格子状の切断線４８を入れるようにな
っている。この結果、細い迷路のように入りくんだ複雑
な中空部を有する造形物であっても、エンドミル３４で
切削可能な形状であればどのような造形物の造形も可能
になる。

【００３９】また、上記粉末尿素４９は水溶性であるた
め水洗いによって容易に除去でき、不要部分４７は切断
線４８によって小さなブロック状に分割されるため、受
け台２４上から積層体５０を取り外す際にも多少除去さ
れ、受け台２４から積層体５０を取り外したのちに造形
物に付着しているものも、容易に除去することができ
る。

【００４０】また、薄板２７どうしの接着が、加熱部３
９によって薄板２７を溶融して密着させたのち冷却固化
することにより行うため、造形物全体が異なる材質を含
まない均一な材質で構成されるようになる。さらに、こ
の方法によると悪臭等を放つ揮発ガス等が生じないため
ガス排出用の排気装置が不要になる。

【００４１】また、加熱部３９のヒーター４２の下面に
は、粘着防止材４３が貼設されているため溶融された薄
板２７が加熱部３９に溶着することが防止される。その
結果、型くずれのない精度のよい造形物が得られるよう
になる。なお、粉末補助材としては、粉末尿素４９に限
らず、塩，ガラス粉子などの粉体であればなんでも使用
することができ、その粉体が水溶性のものであればより
好ましい。

【００４２】

【発明の効果】この発明による三次元造形方法は、以上
のように、造形材料における造形物の中空部分に該当す
る部分は切削除去したのち補助材を充填し、他の不要部
分には格子状の切断線を入れるようになっている。その
結果、複雑な形状の中空部を有する造形物の造形も可能
になり、中空部およびそれ以外の不要部分の除去作業も
極めて容易になる。また、揮発ガス等を発生しないため
排気装置が不要になるという利点や、造形材が熱で溶融
し接着できるものであればなんでもよいため、造形材の
選択範囲が大幅に広がるという利点も生じる。

【００４３】また、この発明による三次元造形装置によ
れば、装置全体が簡便なものになるとともに、加熱部の
下面に粘着防止材を貼設することにより薄板が加熱部に
付着することを防止し精度のよい造形物を得ることがで
きるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による三次元造形装置の構
成を示す構成図である。

【図２】台部に薄板を搬送する状態を示す構成図であ
る。

【図３】薄板の切削切断形状を示す平面図である。

【図４】台部上に搬送され切削加工された薄板に補助材
を供給する状態を示す構成図である。

【図５】薄板に供給された補助材の過剰分を過剰補助材
収容部に排出する状態を示す構成図である。

【図６】切削加工された薄板の上に他の薄板が載置され
た状態を示す平面図である。

【図７】図６のＡ−Ａ’縦断面図である。

【図８】加熱部の加熱により重なり合った薄板を接着す
る状態を示す構成図である。

【図９】台部上に積層体が形成された状態を示す構成図
である。

【図１０】従来例による三次元造形装置を示す構成図で
ある。

【符号の説明】

２０ 三次元造形装置 ２１ 台部 ２２ 伸縮ねじ ２３ モータ ２６ ストッカー ２７ 薄板 ２８ ばね ２９ 支受板 ３１ａ，３１ｂ 送りローラ ３２ａ，３２ｂ ローラ ３３ スピンドル ３４ エンドミル ３７ 補助材供給部 ３８ 掻き取り部 ３９ 加熱部 ４０ ラジエター ４２ ヒーター ４３ 粘着防止材 ４４ 造形物部分 ４５ 切断線 ４６ 中空部分 ４７ 不要部分 ４８ 格子状切断線 ４９ 粉末尿素 ５０ 積層体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 台部に熱可塑性材料からなる薄板を載置
   し、その造形物部分の輪郭部を切断するとともに、不要
   部分を切削除去や切断したのち、さらに、その薄板の上
   に他の熱可塑性材料からなる薄板を積層し、その上側の
   薄板に切削除去や切断を行うといったことを繰り返すこ
   とにより三次元造形物を造形する方法であって、上記薄
   板における造形物の中空部分に該当する部分は切削除去
   したのち粉末補助材を充填し、他の不要部分には造形後
   の不要部除去を容易にするために所定間隔の格子状切断
   線を入れ、上記重なり合う薄板同士の接着を、上側の薄
   板を平面状のヒーターで加熱溶融して下側の薄板に密着
   させたのち冷却固化させることにより行うことを特徴と
   する三次元造形方法。
2. 【請求項２】 上下移動可能な台部と、この台部上面に
   熱可塑性材料からなる薄板を供給する供給部と、上記台
   部上面に対して相対的にＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動し台部上
   に供給された薄板を切削・切断する切削部と、上記台部
   上に粉末補助材を供給する補助材供給部と、台部上に供
   給された粉末補助材の過剰分を台部上から除去し薄板上
   面と粉末補助材上面を面一に揃える掻き取り部と、台部
   上に載置された薄板を加熱する平面状のヒーターと、そ
   の加熱された薄板を冷却する冷却部とを備えたことを特
   徴とする三次元造形装置。
3. 【請求項３】 平面状のヒーターの表面には粘着防止材
   からなる層が設けられ溶融した薄板が付着しないように
   なった請求項２に記載の三次元造形装置。